工业相机镜头的基础知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,3-4,工业镜头的接口,5,工业镜头的基本参数,6,工业,镜头的其他参数,7,光学,放大倍率,8,显示,放大倍率,工业镜头各参数间相互影响关系,10,工业镜头的主要类别：分类方式,11-21,工业镜头的主要类别,分类方式、常用摄像物镜、近摄物镜、远摄物镜、,远心物镜、远距物镜、反远距物镜、畸变物镜,22-23,常用的工业镜头品牌及代理商,FA,镜头和连续变倍镜头,24,连续变倍镜头图片,25,工业镜头选择要点,目录,1,工业镜头的接口,物镜的接口尺寸是有国际标准的，共有三种接口型式，即,F,型、,C,型、,CS,型。,F,型接口是通用型接口，一般适用于焦距大于25,mm,的镜头；而当物镜的焦距约小于25,mm,时，因物镜的尺寸不大，便采用,C,型或,CS,型接口。,2,工业镜头的接口,C,接口和,CS,接口的区别,C,与,CS,接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机,CCD,光电感应器应处的位置）的距离不同，,C,型接口此距离为,17.5mm., CS,型接口此距离为,12.5mm.,。,C,型镜头与,C,型摄像机，,CS,型镜头与,CS,型摄像机可以配合使用。,C,型镜头与,CS,型摄像机之间增加一个,5mm,的,C/CS,转接环可以配合使用。,CS,型镜头与,C,型摄像机无法配合使用。,3,视场,(Field of view,即,FOV,，也叫视野范围,),：,指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分。（,视场范围是选型中必须要了解的,）,工作距离,(Working Distance,即,WD):,指从镜头前部到受检验物体的距离。即清晰成像的表面距离（,选型必须要了解的问题，工作距离是否可调？包括是否有安装空间等,）,分辨率：,图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸。在多数情况下，视野越小，分辨率越好。,景深,(Depth of view,，即,DOF),：,物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力（,需要了解客户对景深是否有特殊要求？）,图,1:,镜头基本参数示意图,工业镜头的基本参数,4,工业镜头的其他参数,感光芯片尺寸,：相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平尺寸。这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视场非常重要。镜头主要缩放比例,(PMAG),由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。虽然基本参数包括感光芯片的尺寸和视场，但,PMAG,却不属于基本参数。,焦距（,f,）,焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中，从镜片中心到底片或,CCD,等成像平面的距离。（,需要记住的公式,）,f=,工作距离,/,视野范围长边（或短边）,X CCD,长边（或短）,焦距大小的影响情况：,焦距越小，景深越大； 焦距越小，畸变越大； 焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低；,5,解析度,表示一组物镜所能见到了,2,点的最小间隔,解像力,mm,中间可以看到黑白线的条数。单位（,lp,）,/mm.,0.61x,使用波长,()/ NA=,解析度,(),以上的计算方法理论上可以计算出解析度，但不包括失真。,使用波长为,550nm,MTF,（,Modulation Transfer Function,）,成像时再现物体表面的浓淡变化而使用的空间周波数和对比度。,6,失真（,distortion,）：（,衡量镜头性能的指标之一,）,又称畸变，指被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。,光圈与,F,值,光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用,F,值，如,f1,。,4,，,f2,，,f2,。,8 etc,7,工业镜头各参数间相互影响关系,光圈大小的影响情况：,光圈越大，图像亮度越高；,景深越小；分辨率越高；,像场中央与边缘：,一般像场中心较边缘分辨率高；,像场中心较边缘光场照度高,光波长度的影响：,在相同的工业相机及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统精度有很大的作用。,8,用于计算主要缩放比例的公式如下：,PMAG =,感光芯片尺寸,(mm) /,视场,(mm),图,2:,主要缩放比例、感光芯片尺寸和视场的关系示意图,光学放大倍数,9,10,显示放大倍数,显示放大倍率在显微中应用非常广泛，被测物体的显示放大倍率取决于三个因素：,镜头光学倍率、工业相机感光芯片的尺寸（靶面大小）、显示器尺寸,。,显示放大倍率,=,镜头光学倍率,显示器尺寸,25.4/,耙面对角线尺寸,11,工业镜头的主要类别：分类方式,按焦距划分：定焦和变焦,按光圈划分：固定光圈和可变光圈,按接口划分：,C,接口、,CS,接口、,F,接口等,按倍数划分：定倍镜头、连续变倍镜头,机器视觉行业常用到的很重要的镜头主要包括,FA,镜头，远心镜头和工业显微镜,等,12,工业镜头的主要类别：常用摄像物镜,主要参数有焦距,f,光圈数,F,和视场,2,.,经验公式：,1/,F *tan,f=C,F,型接口类型摄像物镜焦距表,（,mm,）,C,CS,型接口类型摄像物镜焦距表,(,mm),类型,鱼眼型,超广角型,广角型,标准型,焦距,7.5,15,17,20,24,28,35,50,类型,1/3,1/3 ,1/2 ,2/3 ,1 ,焦距,2.8-3.5,3.5-6,8-75,常用摄像物镜参数,13,接圈,简单的近摄物镜是在照相镜头和,CCD,相机之间加入一个接圈，见图1.118 ，由此，,CCD,的敏感面可以位于照相镜头的像方焦面的外面一段距离，从而可以摄取到较近距离目标的像，但它受到图像清晰度的限制。,工业镜头的主要类别：近摄物镜,近摄物镜,14,近摄透镜,在摄像物镜前端拧上一个近摄透镜，可以摄取到更近距离目标的像。采用近摄镜后，目标像的畸变增大了，为此，近摄透镜的屈光率不能太大，使原工作距离的缩短量一般不超过20,。,工业镜头的主要类别：近摄物镜,近摄物镜,15,与近摄物镜相反，为了对远距离目标摄取到清晰图像，要采用远摄物镜。这种物镜是一长焦距物镜。远摄物镜可以是折射系统、反射系统或折反射系统。反射式远摄物镜常采用卡塞格林式远摄物镜.折反式远摄物镜由于采用前部校正透镜，其成像质量更加良好,.,工业镜头的主要类别：远摄物镜,远摄物镜,16,远心镜头特性,物方远心镜头可以消除透视畸变，像方远心镜头可以获得更好的像面照度的均匀性。,17,物方远心物镜,采用平行光路设计，物方远心物镜是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上。,工业镜头的主要类别：远心镜头,远心镜头,18,像方远心光路,像方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的物 方焦平面上，而像方的主光线平行于光轴。,工业镜头的主要类别：远心物镜,远心物镜,19,在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差；,即使物距是固定的，也会因为,CCD,敏感表面不易精确调整在像平面上，同样亲会产生测量误差。,采用远心物镜中的像方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差，而物方远心物镜则可以消除,CCD,位置不准带来的测量误差。,工业镜头的主要类别：远心物镜,远心物镜,20,远距物镜是一种焦距很长而镜筒较短的物镜，从物镜前表面到像平面的距离小于焦距，这对于长焦距物镜来说，有利于缩短物镜的轴向尺寸。按照上述原理构成的远距物镜，结构型式是各种各样的，尤其是前组，由于负担较大的光焦度，结构一般要比后组复杂。,工业镜头的主要类别：远距物镜,远距物镜,21,反远镜是一种焦距较短而后截距很长的物镜，这样，在物镜和,CCD,之间可以加入分光镜，以实现取景等作用。,工业镜头的主要类别：反远距物镜,反远距物镜,22,畸变物镜能够在它的像中预先引入规定的畸变。当物镜存在很大的负畸变时，实际上能够拍摄角视场超过,180,的物空间。这种物镜用于宇航研究、气像测量中。,吉柳在,1930,年首先成功地实现了角视场,180,o,和相对孔径1：22的畸变物镜（图1.130,b）。,畸变物镜可以按照反远距物镜的光路图作出。第一组由一或二个透镜组成，并造成很大的畸变（图,c、d）。,第二透镜组用于校正像差，以便获得清晰的像。,为了研制超广角物镜，像场角余弦四次方的影响是最大的障碍。但是由于负的畸变，在像场边缘上光束深缩，因而在像场边缘上实际光学密度并不比视场中心低。,工业镜头的主要类别：畸变物镜,畸变物镜,23,常用的工业镜头品牌,品牌,产地,镜头类型,施耐德,Schneider,德国,定焦、远心,卡尔蔡司,Zeiss,德国,定焦、远心,Tron,日本,定焦、定倍、远心、连续变倍,Moritex,日本,定焦、定倍、远心、连续变倍,SPACECOM,日本,百万像素定焦,COMPUTAR,日本,百万像素定焦,宾得,PENTAX,日本,百万像素定焦,腾龙,TAMRON,日本,百万像素定焦,精工,日本,百万像素定焦,VS,日本,定焦、定倍、远心、连续变倍,KOWA,日本,百万像素定焦,24,常用的工业镜头品牌及代理商,25,常用镜头图片,定倍远心镜头,Navitar zoom6000,连续变倍镜头组件,Navitar zoom6000,连续变倍镜头,定焦镜头,26,工业镜头的选择要点,1,、视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离：在选择镜头时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头，以有利于运动控制。,2,、景深要求：对于对景深有要求的项目，尽可能使用小的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下尽可能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时，倾向选择高景深的尖端镜头。,3,、芯片大小和相机接口 ：例如,2/3”,镜头支持最大的工业相机耙面为,2/3”,它是不能支持,1,英寸以上的工业相机。,4,、注意与光源的配合，选配合适的镜头 。,5,、可安装空间：在方案可选择情况下，让客户更改设备尺寸是不现实的。,对镜头的选择，我们首先必须先确定客户需求：,27,谢谢大家,Any Questions?,28,